فولاد چیست و انواع آلیاژ آن کدامند؟

0

فولاد، مهم‌ترین آلیاژ تولید شده در تاریخ تمدن بشر می‌باشد. فولاد، بزرگترین حجم تولید و کاربرد را در بین تمام فلزات وآلیاژ‌های موجود در عصر حاضر را دارد. اما علت این موضوع چیست؟ چه چیزی باعث محبوبیت فولاد در صنعت امروزی شده است؟ چند نوع فولاد در دنیا تولید شده است؟ میزان تولید سالانه‌ی فولاد در دنیا چه مقدار است؟
در این مقاله به بررسی و پاسخ به این سوالات می‌پردازیم.

تعریف فولاد

شاید اینطور به نظر برسد که تعریف فولاد، مفهومی ساده و پیش‌پا افتاده است. اما بررسی دقیق‌تر و علمی این مفهوم، در درک کاربردهای فولاد کمک شایانی خواهد کرد.

فولاد در واقع آلیاژی متشکل از آهن، کربن و مقادیر دیگری از سایر عناصر است. آهن به تنهایی استحکام و سختی بسیار پایینی دارد و به آسانی در مقابل فشار، آسیب دیده و تخریب می‌شود. علی رغم استحکام و سختی پایین، آهن خالص چکش خواری خیلی مناسبی دارد و با نیروی کم به اشکال مختلف در می‌آید. برای رفع مشکل استحکام و سختی آهن، از کربن استفاده می‌شود. اضافه کردن کربن به آهن، در ازای کم کردن مقداری از شکل پذیری، سختی آلیاژ را تا مقادیر زیادی بالا می‌برد.

در واقع تمامی مقاطع آهنی موجود در بازار، فولادهای آلیاژی و استنلس استیل به نوعی فولاد می‌باشند که میزان کربن و نوع عناصر آلیاژی آن‌ها با یکدیگر متفاوت است.
لازم به ذکر است در تمامی فولادهای ساخته شده در دنیا، میزان کربن موجود در ساختار، کمتر از ۲/۱ درصد می‌باشد. استفاده از کربن بیش از این مقدار، منجر به تولید چدن بجای فولاد می‌شود.


تاریخچه فولاد

با توجه به تعریفی که از فولاد ارائه دادیم، می‌توانیم بگوییم استفاده از فولاد به بیش از ۱۰۰۰سال قبل از میلاد مسیح برمی‌گردد. دوره‌ای تاریخی که با نام عصر آهن شناخته می‌شود، سرآغاز تحول زندگی بشر امروز به کمک فولاد است. پس از آن، استفاده از فولاد، رفته رفته توسعه بیشتری پیدا کرده و انسان‌ها یاد گرفتند که چگونه می‌توانند از آهن برای ساخت ابزار کشاورزی و ادوات جنگی خود بهره ببرند.

تاریخچه تولید فولاد

اما تولید انبوه فولاد به روش مدرن به سال ۱۸۵۰ میلادی برمی‌گردد. جایی که هنری بسمر، دانشمند بریتانیایی توانست تکنیک موثری را برای ذوب و تولید فولاد ارائه کند. این روش، بعدها به اسم خود او نامگذاری شده و به روش بسمر معروف است. در این روش، ناخالصی با کمک دمش هوا به سرباره اضافه شده و از ذوب خارج می‌شود. شکل کوره‌های ابتدایی روش بسمر را در تصویر زیر مشاهده می‌کنید.

دسته‌بندی فولاد

فولاد با توجه به خواصی که دارد، می‌تواند از نقطه نظر‌های متفاوتی تقسیم بندی شود. یکی از این دسته‌بندی‌ها جداسازی فولاد بر اساس مقدار کربن موجود در ساختار است. بر اساس این تقسیم‌بندی، سه دسته عمده‌ی زیر برای فولادها تعریف می‌شود:

  • فولاد کم کربن
  • فولاد کربن متوسط
  • فولاد پر کربن

هر کدام از دسته‌های بالا، خواص و ویژگی‌های منحصر به فرد خود را دارند که در ادامه به هر کدام از آن‌ها می‌پردازیم.

فولاد کم کربن

فولاد کم کربن دسته مهمی از فولادها به حسب می‌آیند که میزان کربن در ساختار آن‌ها، کمتر از ۰/۳درصد می‌باشد. وجود مقدار کم کربن در این دسته از فولاد‌ها، باعث ایجاد خاصیت انعطاف‌پذیری و شکل‌پذیری بسیار بالا، نسبت به سایر دسته‌ها شده است. علاوه بر این خاصیت، فولادهای کم کربن، عموما مقاومت به خوردگی ضعیفی دارند.
نکته قابل تامل در خصوص فولادهای کم کربن، قیمت پایین این دسته می‌باشد. وجود مقدار کم کربن و عناصر آلیاژی علاوه بر کاهش هزینه ناشی از نبود عناصر آلیاژی، به دلیل سادگی فرآیند ساخت ، قیمت محصول نهایی را کاهش می‌دهند.

فولاد کربن متوسط

فولاد کربن متوسط دسته‌ای از فولاد است که کربن آن بیش ۰/۳ درصد و کمتر از ۰/۸ درصد باشد. ویژگی بارز این دسته از فولادها  این است که برای سخت‌کاری به دمای کاری پایین‌تری نیاز است و این به معنای بهبود شرایط عملیات حرارتی و کاهش میزان مصرف انرژی می‌شود.

فولاد پر کربن

فولاد پر کربن به دلیل دارا بودن مقدار زیادی کربن در ساختار خود، سختی بسیار بالایی را از خود نشان می‌دهد، اما از سویی دیگر، هرچه میزان کربن در ساختار بالاتر می‌رود، انعطاف‌پذیری فولاد کاهش پیدا می‌کند، به طوری‌که به عنوان مثال در فولادهای با بیش از ۲ درصد کربن، مقاومت به ضربه شدیدا کاهش یافته و فولاد مورد نظر ترد می‌شود. درصد کربن در این دسته از آلیاژها، بین ۰/۸ تا ۲/۱ است.

فولاد آلیاژی

علی رغم تمام مزایای فولادهای متداول، نظیر سختی و استحکام بالا، شکل‌پذیری مناسب و هدایت حرارتی و الکتریکی قابل قبول، فولادها عموما مقاومت به خوردگی مناسبی ندارند. هم‌چنین گاهی نیاز به سختی و استحکام بالاتر وجود دارد.
اضافه کردن عناصر آلیاژی می‌تواند با افزایش سختی‌پذیری فولاد، استحکام و سختی آن را بالا ببرد. همچنین استفاده از عناصر آلیاژی، این امکان را به فولاد می‌دهد که بتواند در دمای کاری بالا نیز مورد استفاده قرار بگیرد. از جمله عناصر آلیاژی پرکاربرد در ساخت فولاد آلیاژی می‌توان به کبالت، کروم، نیکل، مولیبدن و تنگستن اشاره کرد.
در ادامه به معرفی برخی از مهم ترین و پرکاربردترین فولادهای آلیاژی در بازار می‌پردازیم.

فولاد خشکه هوایی (تندبر)

فولاد خشکه هوایی (تندبر) یکی از کاربردی‌ترین دسته‌های فولادهای آلیاژی به حساب می‌آید. استفاده از عناصر آلیاژی با مقادیر عموما زیاد، خواص ممتازی به فولاد خشکه هوایی داده است. از جمله این خواص می‌توان به سختی و استحکام بالا در کنار خواص ممتاز مقاومت به سایش اشاره کرد. از جمله عناصر آلیاژی مورد استفاده در تولید فولاد خشکه هوایی، می‌توان به تنگستن، مولیبدن، وانادیوم و کبالت اشاره کرد. تنگستن در فولاد خشکه هوایی می‌تواند تا ۱۸ درصد افزایش یابد.

مته ساخته شده از فولاد تندبر

وجود این عناصر آلیاژی و خواص ایجاد شده، منجر به استفاده از این فولاد در ساخت انواع تیغه و ابزار برش شده است.

فولاد سردکار

یکی دیگر از مهم‌ترین فولادهای آلیاژی، دسته‌ی فولاد سردکار می‌باشد. خواص منحصر به فردی که از این دسته از فولادها می‌توان گرفت، تابع عوامل متعددی است. از جمله این عوامل می‌توان به نوع و مقدار عناصر آلیاژی و هم‌چنین محیط سرد‌شونده فولاد اشاره کرد. به عنوان مثال، فولاد سردکار خنک شده در روغن، خواص کاملا متفاوتی نسبت به فولاد سردکار خنک شده در آب دارد.
مهم‌ترین فولادهای سردکار، فولاد SPK، فولاد آموتیت و فولاد نقره‌ای می‌باشند.

فولاد عملیات حرارتی

فولاد عملیات حرارتی در واقع به دسته‌ای از فولادها گفته می‌شود که بیش‌از سایر فولادهای شناخته شده، توانایی اعمال انواع عملیات‌های حرارتی مانند سمانته کردن و نیتراته کردن بر روی خود را دارند.
در این دسته، فولادهای شناخته شده‌ای نظیر فولاد CK45 و انواع فولاد‌های VCN قرار دارد.

فولاد سمانته

فولاد سمانته، به نوعی زیرمجموعه‌ای از فولاد عملیات حرارتی می‌باشد که به دلیل کاربرد وسیع خود، از معروف‌ترین فولادهای شناخته شده می‌باشد. فولاد سمانته در واقع فولادی است که عملیات سمانتاسیون یا کربن‌دهی بر روی آن انجام شده است که باعث شده محصول نهایی حاوی سطح با کربن زیاد و مرکز با کربن کم بوده و خواص سطحی مناسبی را از خود نشان دهد.

فولاد نیتراته

فولاد نیتراته نیز همانند فولاد سمانته، بخشی از فولادهای عملیات حرارتی را تشکیل می‌دهد. در این فولادها از عملیات نیتراسیون یا نیتروژن‌دهی در سطح استفاده می‌شود. غلظت بالای نیتروژن در سطح، باعث سختی سطحی بالای آن می‌شود. تفاوت نیتروژن‌دهی و سمانتاسیون در دمای کاری آن است. دمای نیتروژن دهی حدود ۲۰۰ درجه کمتر از سمانتاسیون بوده که می‌تواند منجر به سلامت بیشتر زیرلایه شود.

فولاد ابزار کربنی

فولاد ابزار کربنی، اصطلاحا به فولادی گفته می‌شود که مقدار کربن ساختار آن، خیلی زیاد باشد. به نوعی می‌توان گفت، فولاد ابزار کربنی، نام تجاری و بازاری فولاد پرکربن است که پیش‌تر به آن اشاره شد.
این فولادها عموما سختی بالایی دارند و می‌توانند در برخی کاربردهای ساخت ابزار برش و سایش به کار روند. توجه به این نکته ضروری است که فولاد ابزار کربنی، مقاومت به ضربه مناسبی نداشته و نباید در مکان‌هایی مورد استفاده قرار بگیرد که فولاد، دائما تحت ضربه است.

فولاد ابزار قالب پلاستیک

شروع ساخت فولاد قالب پلاستیک را می‌توان به نوعی هم‌ارز با آغاز شکوفایی صنعت پلیمر دانست. پیش از این، فولادها، عموما در تماس با پلیمرها چسبندگی بالایی داشته و قطعات پلیمری ساخته شده را خراب می‌کردند. همچنین فشار و دمای نسبتا بالای فرایند تزریق و تولید پلیمر، به عنوان مانعی برای شکوفایی این صنعت بود. با آمدن فولادهای قالب پلاستیک و خواص ممتازی که این دسته از خود نشان داد، صنعت پلیمر نیز با سرعت بالایی شروع به پیشرفت کرد.

فولاد ابزار گرم کار

یکی از مهم‌ترین مزایای فولاد که باعث تبدیل آن به یک ماده مهندسی برتر شده است، خواص دما بالای آن است. دمای کاری فولاد می‌تواند حتی بالاتر از دمای ذوب خیلی از مواد مهندسی، نظیر آلومینیوم باشد. در بین تمامی دسته‌بندی‌های فولادها، فولاد ابزار گرم کار بیشترین تحمل دمای کاری بالا را داشته و می‌تواند در ساخت انواع ابزار و قالب‌هایی که با فولاد داغ و خمیری در تماس است، به کار رود.

فولاد خوش تراش (اتومات)

فولاد خوش تراش، دسته‌ای از فولادها است که به دلیل وجود عناصر آلیاژی نظیر سرب و گوگرد قابلیت ماشین‌کاری خیلی مناسبی دارد. به همین دلیل، وقتی ماشین‌کاری اعمالی بر روی فولاد زیاد است، فولاد خوش تراش به عنوان بهترین گزینه پیشنهادی مطرح می‌شود. پس از اتمام فرایندهای ماشین‌کاری نظیر تراش‌کاری و فرز، فولاد، با عملیات حرارتی مناسب، مستحکم و سخت می‌شود.

فولاد فنر

فولاد فنر، به کمک عناصر موجود و روش تولید خود، این خاصیت را دارد که بیش از سایر دسته‌بندی‌های فولادی، از خود خاصیت فنری نشان دهد. وجود این خاصیت باعث شده است که از فولاد فنر در ساخت انواع فنر و سیستم تعلیق اتومبیل‌ها، استفاده شود.

فولاد یاتاقان

فولاد یاتاقان در دو گرید 100Cr6 و 145Cr6 یکی از محبوب‌ترین فولادهای موجود در بازار برای ساخت انواع رولبرینگ و بلبرینگ به شمار می‌رود. یکی از خواص حیاتی که یک فولاد یاتاقان باید آن را داشته باشد، مقاومت به خوردگی بالا است. چرا که بلبرینگ‌ها دائما در تماس با سیالات خورنده هستند و عدم استفاده از فولاد مناسب، می‌تواند آسیب اقتصادی و حتی جانی سنگینی را وارد کند.

فولاد زنگ نزن

همانطور که می‌دانید، فولادهای متعارف موجود در دنیا دارای یک عیب مهم هستند و آن ضعف در مقاومت به خوردگی فولاد است. این امر، بسیار حیاتی است چرا که بر اساس محاسبات صورت گرفته مشخص شده است که حتی در کشورهای بسیار پیشرفته، حدود ۵ درصد از تولید ناخالص ملی، صرف هزینه‌های ناشی از خوردگی می‌شود. این عدد، در کشورهای در حال توسعه و جهان سوم به مراتب بالاتر است. دانستن این نکته، مشخص می‌کند که توانایی ایجاد خاصیت مقاومت به خوردگی در فولادهای تولید شده، تا چه اندازه می‌تواند به اقتصاد یک کشور کمک کند.
فولاد ضد زنگ دسته‌ای از فولادهای نسبتا جدید در دنیا می‌باشد که توانسته است به کمک عناصر آلیاژی نظیر نیکل، کروم، کبالت و مولیبدن، تا حدود مناسبی، به فولاد تولید شده، خاصیت مقاومت به خوردگی را ببخشد.
فولادهای ضد زنگ در حال حاضر، هزینه‌های تولید بالایی دارند و قیمت آن برای مصرف‌کننده بسیار بیشتر از فولادهای معمول می‌باشد. به همین دلیل، همچنان در کاربری‌های غیر حساس از فولادهای معمولی استفاده می‌شود.
از جمله مهم‌ترین فولادهای زنگ نزن می‌توان به استیل سری ۳۰۰، استیل سری ۴۰۰ و استیل نسوز اشاره کرد.

مشکلات فولاد سازی

وجود مشکلاتی نظیر حساسیت به خوردگی و همچنین وزن بالای فولاد، نیاز به ساخت فلادهای با خواص برتر را الزامی کرده است. اما آنچه باعث می‌شود، ساخت فولادهای جدید با محدودیت‌های تولید مواجه شود، و به تبع آن هزینه‌های تولید بالاتر رود را می‌توان در کلمات زیر جست:

  • شناوری و ته نشینی
  • جدایش غلظتی
  • ضخامت مقطع تولیدی

شناوری، ته نشینی و جدایش غلظتی

استفاده از عناصر آلیاژی مختلف در ذوب فلزی همواره با یک مشکل عمده روبرو است و آن، اختلاف وزن مخصوص آهن و عنصر آلیاژی مورد استفاده است. عنصر آلیاژی سبک‌تر به روی ذوب آمده و وارد سرباره می‌شوند و از خواص مد نظر شمش فاصله می‌گیرد. عنصر سنگین‌تر نیز در کف پاتیل ته نشین شده و مشکل ذکر شده را به طریق مشابهی تکرار می‌کند. هر دوی این عوامل، باعث جدایش غلظتی در شمش نهایی می‌شود.

ضخامت مقطع فولاد

بحث ضخامت مقطع تولید شده از دو جهت اهمیت دارد. مورد اول، همانطور که در بالا نیز گفته شده است، مربوط به جدایش غلظتی می‌شود. هرچه مقطع ضخیم‌تر باشد، کنترل خواص سخت‌تر می‌شود.
مورد و مشکل دوم مقاطع ضخیم، کاهش احتمال سخت شدن فولاد، در مرکز خود می‌باشد. هرچه نمونه ضخیم‌تر می‌شود، به دلیل کمتر شدن تماس با محیط خنک کننده مانند آب، انتقال حرارت با سرعت کمتری انجام شده، و مرکز فولاد، سخت نمی‌شود.

وجود این عوامل باعث شده است که علی رغم تولید فولادهای متعارف به روش‌های کوره بلند و احیای مستقیم، در کارخانجاتی نظیر ذوب آهن اصفهان و فولاد خوزستان، امکان تولید برخی فولاد‌ها در حال حاضر در کشور مهیا نباشد.

کاربرد فولاد در صنعت

در حال حاضر، فولاد پرکاربردترین فلز در صنعت روز دنیا می‌باشد. شاید برایتان جالب باشد که بدانید فولاد در سال گذشته به تنهایی ۹۲ درصد از سهم صنعت فلزات دنیا را به خود اختصاص داده است به طوری که در سال ۲۰۱۹ میزان تولید فولاد به عدد ۱۸۷۰ میلیون تن رسیده است. این فولادها در ۳۵۰۰ گرید مختلف در دنیا تولید شده‌اند. هر کدام از دسته‌بندی‌های معرفی شده در این مقاله می‌توانند بخش زیادی از تولید سالانه فولاد را به خود اختصاص دهند. مشاهده می‌شود، فولاد از کاربری‌های پیش پا افتاده تا صنایع بسیار حساس، می‌تواند مورد استفاده قرار بگیرد. صنایع ساختمان سازی و عمرانی، صنایع تولید اتومبیل، صنایع مرتبط با استفاده از انرژی‌های تجدید‌پذیر و صنایع هسته‌ای از جمله مهم‌ترین کاربردهای فولاد‌ها در دنیا می‌باشند.

استفاده از فولاد در خودروسازی


برای تصدیق مطالب فوق و استفاده از منبع اصلی اینجا کلیک کنید.
حال سوالی که پیش می‌آید این است که آیا فولاد می‌تواند همچنان بیشترین سهم را داشته باشد؟

آینده صنعت فولاد

پیشرفت علم و ظهور دسته‌ی جدیدی از مواد تحت عنوان کامپوزیت‌ها توانسته است پتانسیل بسیار بالایی را از خود نشان دهد تا در موارد زیادی به عنوان فولادها مورد استفاده قرار بگیرد. این مواد وزن پایینی دارند و مقاومت به خوردگی عمدتا بالایی دارند. اما فولادها همواره به عنوان یک ماده برتر مهندسی شناخته می‌شوند و جایگاه خود را می‌توانند حفظ کنند.
پس برای پاسخ به این سوال می‌توان اینگونه گفت که، علی رغم اینکه به نظر می‌رسد فولادهایی که به شکل امروزی مورد استفاده قرار می‌گیرند، جایگاهی در آینده‌ی صنعت دهه‌های آینده نخواهند داشت، اما با توجه به پتانسیل بالای خود، حتما از آن‌ها در ساخت مواد جدید استفاده خواه شد و فولاد با چهره‌ای متفاوت همچنان یکه‌تازی خواهد کرد.

ممکن است شما دوست داشته باشید
ارسال یک پاسخ

آدرس ایمیل شما منتشر نخواهد شد.